复杂配电网可靠性计算及开关优化配置研究--学位论文.doc

太原理工大学工学硕士学位论文

复杂配电网可靠性计算及开关优化配置研究

摘要

随着经济的快速发展和社会的变革，电能在社会生产和人民生活中扮

演了越来越重要的角色，用户对于电能质量的要求也越来越高。因为配电

系统处于电力系统最末一级，分配和消费电能，直接面对用户，所以配电

网的可靠性不仅与用户的生活和国家的安全、稳定息息相关，而且对供电

企业的经济效益也有着巨大的影响。同时，由于环境的不断恶化和化石能

源的消耗殆尽，分布式发电(Distributed Generation，DG)技术研究已越来越 受到世界各国的重视，然而DG接入配电网后，既可以提高配电网的可靠

性，但也相应会带来一些负面的影响，因此，配电网可靠性分析和接入DG

后的配电网可靠性分析，对配电网的设计、运行、以及配电网的改造都是

非常重要的研究课题。

针对模拟法为了提高计算精度而需要较长的计算时间，而解析法则需

要增加繁重的计算量来解决系统网络的增大的问题和不足，本文提出了一

种采用G0法来计算配电系统可靠性的新方法，该方法是一种面向成功系

统的可靠性分析方法，对有时序，多态，复杂系统的可靠性均可以进行分

析计算。

本文使用G0法，构建了评估配电网系统的可靠性的GO模型，采用该

模型，对简单配电网各种运行模式进行了可靠性分析，并通过对复杂配电

网结构分析，提出了一种可将复杂配电网简化的等效模块法，给出了等效

模块法计算配电网可靠性指标的计算方法，采用该方法对复杂配电网的可

太原理工大学工学硕士学位论文

靠性指标进行计算，取得了良好的计算结果，验证了该方法的正确性和有

效性。

根据分布式电源(DG)接入点、接入方式以及运行方式的不同，本文

在配网可靠性的GO法研究的基础上，分析了含有DG时系统孤岛运行的优

化模型，以及孤岛边界的搜索方法，得出了接入DG后的配电网可靠性计

算方法，并给出了计算的步骤。通过在IEEE I氇TS系统母线6中的F4配

电支路中接入DG，分析了DG接入对配电网可靠性的影响。

本文最后，通过分析配电网开关配置的经济性问题和系统运行的可靠

性问题之间的矛盾，建立了以配电网建设成本和运行成本最小，以系统可

靠性和配电网电压、电流极限为约束的开关优化模型，采用PS0算法进行

优化求解，并通过IEEE RBTS—Bus5系统进行计算，从而验证了所提算法模 型的有效性。

关键词：配电网可靠性，G0法，等效模块法，分布式电源，开关优化配置

太原理工大学工学硕士学位论文

I之ESEARCH 0N I迮LIABILITY

CALCULATl0N AND OPTIMIZATION OF

DISTIUBUTION SYSTEM

AB STRACT

With the rapid economic deVelopment and social change，electricity plays

more and more important role in social production and people’s life，the user are

increasing high requirements for power quali妙Because the distribution power

system is at the last stage，distribution and consumption of electric ene唱y， directly face the user，so the reliability of distribution network not only with the user’s 1ife and national security，stabilit)，are closely related，and to supply the economic bene6ts of the ente印rise also has a great innuence．At the same time， because of the deterioration of the enViroment and the depletion of f．ossil

ene略y，distributed generation(DG)technology research has been more and more

attention all oVer the world，the DG access to distribution network，not only can

improVe reliabilit)，of distribution network，but also the corresponding will bring

some negatiVe ef．fects，therefore，distribution network reliability analysis and access DG distribution network reli￡Ibility analysis，distribution network design，

operation，transfb姗ation and dist曲ution netWork is Veq imponant research

topic．

According to the problem of simulation method takes a long time to

III

point，access mode

太原理工大学工学硕士学位论文

improve the accuracy of the calculation，and the shortages of analysis method

with the system and the increase of computation is getting hi曲er，the p印er presents a new method to calculate the distribution system reliability GO method0109y， this method is a success—oriented system reliability analysis

method，timing，p01ymo印hism，and reliability of complex systems analysis

calculation．

This anicle uses the G0 methodology，was constmcted to assess the

reliability of the power dist曲ution system
of GO model．Using this model，the
Various operating modes for simple
distribution netWork reliability

analysis．Through a11alyzing complex distribution network stmcture，this p印er

puts forward a kind of the method of equiValent module simplifies the distribution method， giVes the equiValent module method to calculate distribution network reliability index calculation method，the method of complex distribution network reliability index is calculated，achieVed good calculation

results，which verified the correctness and Validity of the method．

According to the distributed generation(DG)access

and the di腩rent mode of operation，distribution network is presented in this

paper based on the study of the reliability of the GO method，containing DG is

analyzed when the system the islands of the optimization model of operation，as

well as the island of bounda叫search method，the obtained access to DG aRer the distribution network reliability calculation method，the calculation steps are

presented． By
means of access DG of feeder 4 of bus 6 of the IEEE

IV

太原理工大学工学硕士学位论文

I也TS(Reliability Test System)，analyzes the innuence of DG access to the

reliability of distribution network．

Final ly，tkough the analysi s ofthe contradiction between the reliability problem of economical operation of distribution network and system

con69uration of the switch，established a distribution network construction cost

and operation cost to minimum，the system reliability and the distribution netWork Voltage，current 1imit for the constrained optimization model，and

through the PSO algorithm to solVe the optimization problem，calculated by

IEEE I乇BTS—Bus5 system，which Verifies the Validity of the model of the

proposed algoritllln．

KEY WOI乇DS：distribution network reliabili吼GO(Goal 0riented)method，

distributed generator，optimal switching device

V

太原理工大学工学硕士学位论文

VI

太原理工大学工学硕士学位论文

目录

摘要 I

ABSTRACT ．．III

第一章绪论 o 1

1．1配电网可靠性研究背景 1

1．2国内外研究现状 2

1．2．1配电系统可靠性研究内容和现状 2

1．2．2分布式电源技术研究现状 5

1．3本文的主要研究内容 6

1．3．1研究思路和方法 6

1．3．2研究内容 7

第二章模块化配电网可靠性分析方法研究 ．．9

2．1引言 9

2．2配电网可靠性评估指标体系 9

2．2．1负荷点可靠性指标 9

2．2．2系统可靠性指标 ．1 0

2．3基于GO法的简单配电网可靠性计算 ．．12

2．3．1GO法计算原理 12

2．3．2基于GO法的简单配电网可靠性分析 ．14

2．4复杂配电网的模块等值方法 ．．19

2．4．1复杂配电网模块化分析 ．19

2．4．2模块化等效电路的可靠性指标计算 ．21

2．5复杂配电网可靠性算例分析 ．．22

2．5．1算例参数 ．22

2．5．2电路模块化等效 ．24

2．5．3等效模块可靠性指标计算 ．25

2．5．4负荷点可靠性指标计算 ．26

2．6本章小结 ．．27

第三章含有分布式电源的配电网可靠性分析 29

VII

太原理工大学工学硕士学位论文

3．1引言 一29

3．2分布式电源接入对配电网可靠性影响的关键因素 一29

3．2．1分布式电源接入电网的方式 ．29

3．2．2分布式电源接入点 ．30

3．2．3分布式电源的运行方式 ．31

3．2．4其他影响因素 ．32

3．3含分布式电源的配电网孤岛划分算法 一32

3．3．1孤岛运行分类 ．33

3．3．2孤岛划分原则及数学模型 ．33

3．3．3孤岛划分模型的求解 ．34

3．4含有分布式电源的模块等值配电网可靠性分析 一37

3．5计及DG的配电网可靠性计算流程 ．．38

3．6实例分析 ．．39

3．6．1采用GO法进行可靠性计算 ．40

3．6．2 DG接入后系统可靠性计算 一4l

3．7本章小结 一43

第四章复杂配电网可靠性的开关优化算法 45

4．1引言 45

4．2配电网开关配置优化建模 一45

4．2．1开关优化配置目标函数 ．45

4．2．2开关优化配置约束条件 ．46

4．3开关优化模型的算法实现 一47

4．3．1优化模型分析 ．47

4．3．2基于粒子群算法的优化计算方法 ．48

4．3．3开关优化配置的粒子群计算 ．49

4．4算例分析 一50

4．4．1算例参数 ．50

4．4．2优化结果分析 ．5 1

4．5本章小结 ．．52

VIII

太原理工大学工学硕士学位论文

第五章结论与展望 53

5．1主要结论 ．．53

5．2后续工作的展望 ．．53

参考文献 ．．55

致谢 61

攻读学位期间发表的学术论文目录 ．．63

IX

太原理工大学工学硕士学位论文

第一章绪论

1．1配电网可靠性研究背景

电能是社会生产和人民生活的重要能源之一，它的发展和技术应用将直接影响国民

经济增长的速度和社会进步的程度。供电中断将使生产停顿、生活混乱、甚至危及人身

和设备的安全，给国民经济造成的损失远远超过电力系统本身的损失，因此，可靠地发

电、输电和供电是电力系统运行的首要要求【卜31。而配电系统处于电力系统最末一级，

分配和消费电能，直接面对用户，所以配电网的供电可靠性不仅与国家的安全、稳定和

用户的生产、生活息息相关，而且对供电企业的经济收益也有着极其重大的影响【41。

多年来，全球发生了大量的停电事故【孓71。例如：1996年8月10日在北美的西部协

调委员会(Westem Electric时Coordinating Council，wECC)范围内美国西部九个州发

生断电事故，致使这地区的空中和地面交通陷入混乱，造成了750万用户停电，局部停

电时间达9个小时；2003年8月14日，在北美东部的大停电，波及美国的8个州和加

拿大的两个省，使得5000万人生活受到了影响；2003年8月28日，英国伦敦和英格兰

东南地区发生了大面积的停电事故，伦敦地铁等交通系统受到严重影响；2005年5月

25日，俄罗斯首都莫斯科发生大面积停电事故，波及市区大多数区域，约有50％以上 地区，造成工厂停产，商店停业，交通瘫痪，至少损失10亿美元；2008年1月中旬到 3月，我国南方大部分省区和西北地区发生了极为严重的低温雨雪冰冻灾害，持续时间 之长，降温幅度和降水强度之大，覆盖地域之广，历史罕见，对这些地区社会经济和人 民生活产生了严重的影响，给电力系统基础设施和安全运行带来了前所未有的破坏。这 次雨雪冰冻灾害造成了严重的后果，使得多个电网失电解列，全国17个省市，约570 个县、3000多万用电用户受到了不同程度的影响。

接连发生的严重停电事故为当前的输电方式、电力生产和供应模式敲响了警钟。同

时，受世界能源危机、全球气候变暖、空气污染、雾霾天气等环境问题的影响，各国迫

切希望寻找新能源来优化电力结构。微网【81、分布式电源供电以其与大电网供电互相补

充、协调并且能综合利用现有资源和设备，为用户提供可靠和优质的电能，成为世界各

国开发利用的热点之一。

但是，随着分布式电源接入配电网，配电系统从单一电源的辐射状网络变成了一个

太原理工大学工学硕士学位论文

遍布电源和负荷的多电源网络，这样不仅改变了配电网传统的网络结构，而且增加了其

潮流的不确定性。同时，分布式电源的输出具有随机性和间歇性‘91。这些问题对系统的

运行和控制产生了一系列的影响，使配电网变得更加多变和复杂，给含分布式电源的配

电系统可靠性评估带来巨大的挑战。因此，对复杂配电系统的可靠性的研究具有十分重

要的意义。

1．2国内外研究现状

1．2．1配电系统可靠性研究内容和现状

20世纪50年代，可靠性【10】概念开始用于工业，并且首先在军用电子设备中得到应

用。60年代中期，美国、前苏联等国家电力系统陆续地、不断地出现了大面积的停电事

故，由此引起国际社会很大触动，可靠性管理和技术便开始引入电力系统。1965年美国

东北部系统发生大停电，美国政府成立了专门的组织对这次事故进行调查。1968年成立

了美国电力可靠性协会，将全美分为12个安全协作区(后改为11个)，各自制定了可

靠性准则，力求保证电力系统能经受较大事故的冲击，避免由于连锁停运而导致大面积

停电。1981年，由于加拿大和墨西哥的电力系统的加入，其改名为北美电力可靠性协会。

与此同时，西欧、日本等国也纷纷开展了可靠性质量管理工作。目前，配电系统可靠性

评估管理已成为许多国家电网规划决策的一项日常性工作，例如美国、日本、加拿大等

国家都已经成立专门的研究机构对可靠性分析、计算、评估所需要的基础数据进行收集

和整理，并建立了完善的配电网供电可靠性评估的算法。

相较于国外发达国家，国内对配电系统可靠性的研究起步较晚，始于上世纪80年

代初期 。1引，并且在很长的一段时期内，电力可靠性研究重发输电而轻配电，使配电系

统的可靠性研究并没有得到应有的重视，而且缺少必需的数据资料和相关的计算统计方

法，导致可靠性研究止步不前。直到几年后，原国家能源部颁布了《供电系统电力客户

供电可靠性统计方法》，配电系统可靠性管理工作因此全面展开【13】。在众多专家学者的

共同努力下，近三十年的发展，将我国配电网可靠性研究水平提高到了前所未有的高度，

配电网可靠性的平均水平也有了很大的提升，特别是供电可靠率(限电因素除外)在十二

年间提高了0．281％，成为2004年的99．927％，但与国外发达国家相比，差距还是非常

明显的。

就目前来说，国内外专家、学者以及专业团队对电力系统配网可靠性方面做了大量

2

太原理工大学工学硕士学位论文

的研究工作，其评估方法有很多，综合起来可以分为三类：一类是模拟法【14】，一类是解

析法【1 51，还有一类是人工智能法【16】。近些年，新出现将解析法和模拟法结合起来的混合

法【17】。

模拟法主要是指蒙特卡洛法(Monte Earlo Simulation Method)【18】，它以配网各部件可

靠性原始基础参数为基础，将通过产生一个随机数列，进而产生一系列的实验样本，来

模拟系统中出现的各种运行状态，再将模拟出的结果用概率统计的方法计算出可靠性指

标【19】。其主要思想是：先搜索得到故障元件能影响到的全部负荷点，然后对负荷点的历

史记录进行选择、统计、分析以及计算，其模拟结果就是负荷点和系统的可靠性指标估

计值。

Goel L等专家在文献【20]中经过对蒙特卡洛法参数在可靠性计算中的速度和准确性

当中的影响进行了研究，总结出兼顾评估速度和准确性新的选择方法。由于模拟法有精

度不高、计算时间长的短板，这就使得专家学者们不断的寻求解决方法。丁明等在文献

[21】为了减少样本方差对控制变量法进行改进，解决了电力系统概率分析中蒙特卡罗仿

真效率不高的问题。文献[22]提出了考虑线路容量约束的基于序贯蒙特卡罗仿真和时变

负荷模型的评估配电网可靠性的模型，模型中切负荷策略综合考虑了停电损失费用、停

电电量、网损和停电时间，因而该模型在模拟配电网的故障和负荷点停电情况方面更加

符合实际运行情况。王成山等在文献[23]针对蒙特卡洛法的仿真时间长的缺点，采用分

区思想划分复杂配电网络，提出了两种区域仿真的非序贯蒙特卡罗法，对分区系统进行

状态抽样实验样本的抽取，以获得分区系统的可靠性数据，从而计算得出负荷点和系统

的可靠性指标。

解析法是将系统的部件和结构之间的逻辑关系加以合理的理想化，并用数学迭代方

法来建立可靠性模型，最后通过计算机程序得出所需要的可靠性指标f24】。相较于模拟法

仿真时间长、计算速度慢的缺点，解析法采用较严密的数学模型和有效的数值计算方法

对系统的可靠性进行了严格的分析计算，精准度较高，并且计算速度快。

常见的解析方法有：故障模式与后果分析法(FMEA)、最小路分析法、最小割集分析

法、网络等值法、贝叶斯网络算法、状态空间法、故障扩散法、区间评估法、考虑容量

约束的评估算法。

张滕等在文献[25】将故障模式与后果分析法(FMEA)与网络等值的原理相结合，用网

络等值原理将复杂配电系统逐步等值为只有一条馈线的简单配电系统，进而结合等效逻

3

太原理工大学工学硕士学位论文

辑模型和FMEA法评估系统的各项可靠性指标，这样就比直接利用FMEA法较大的提

高了效率。

Pengw抽g等在文献【26]中对网络等值法进行了补充和发展，介绍了对于带有复杂分

支馈线的配电网进行可靠性评估的网络等值法的基本原理。该方法首先用等效元件代替

一部分网络分支馈线，从而将复杂网络逐步等值为简单的辐射形配电网，然后通过等效

的简单辐射网计算系统的可靠性指标，从而运用可靠性指标对配电网的可靠性进行评

价。

别朝红等在文献【27】提出了一种将最小路法和等值法结合的复杂配电系统的可靠性

评估算法。该算法首先通过对网络的分层处理，应用可靠性等值原理将复杂配电系统逐

步等值为简单的辐射形配电网，再应用最小路方法计算系统的可靠性指标，从而提高了

评估效率。实例计算验证了该方法的有效性。

A．Ozdemir等专家在文献【28】基于最小割集进行配电网可靠性评估，编制了计算程

序，该算法提高了计算的效率。文献【29]【30】介绍了最小割集可靠性评估算法，该方法

与最小路集法相似，利用最小路求得最小割集，进而计算负荷点的可靠性指标，最小割

集内包含了所有计算状态，避免了大规模的计算系统的状态，可以节省计算时间。

刘禹良等在文献【31】提出一种基于贝叶斯网络的配电网可靠性评估算法。以可靠性

分块技术为基础，建立配电网四层贝叶斯网络，即元件层、分块层、负荷点层和系统层。

根据配电网分块形成的等效网络，建立元件层和分块层间的关系；通过解析枚举分块及

开关元件的故障，得到负荷点的节点类型，建立分块层和负荷点层间的关系，并通过矩

阵存储实现负荷点可靠性计算；建立负荷点层和系统层间的关系，实现系统可靠性计算。

对RBTS母线2等算例系统进行可靠性评估和分析，从而验证了该算法是正确、可行且

高效的。

文献【32]将马尔可夫理论应用于配电网的可靠性评估中，马尔可夫理论是一种状态

空间分析技术，将一台虚拟的故障主变和一条虚拟的故障线路作为负荷失电时候的状

态，利用主变和线路间的联络关系，充分考虑了系统发生N．1故障时的转供成功率，并

且综合了系统的元件故障率，形成马尔可夫转移概率矩阵。文献采用马尔可夫状态空间

法，准确、简便地求解出配电网的可靠率，并验证了算法的可用性。

谢开贵等在文献【33】在中压用户配电系统故障扩散法评估算法研究的基础上，采用

前向搜索算法来确定断路器动作影响的范围，并确定故障范围与切换开关的有无，从而

4

太原理工大学工学硕士学位论文

确定了节点的故障类型。根据节点的类型，可以计算出供电系统的可靠性指标，并提出

了提高中压配电系统供电可靠性的技术与管理措施。

文献[34]提出一种考虑线路容量和电压约束的配电系统区间可靠性评估方法。运用

配电系统区间理论，分析计算可靠性的配电系统组件和负载参数的不确定性对可靠性的

影响，该算法优化了系统计算结构，可以节省计算时间。

解析法概念逻辑简单明了，模拟法不需要太多的假设，就能随机模拟实际运行方式，

而且所涉及范围更加全面。二者各有自己的优势，但不足也是显而易见。混合法就是将

以上两种方法有效地结合，补充各自不足，从而形成的更加全面的评估方法【351。

姚李孝等在文献【36]提出了基于状态转移和蒙特卡洛法相结合的配电系统可靠性评

估算法。该算法根据配电系统中断路器、分段开关、联络开关等可操作性元件的动态特

性对系统建立彼此独立的状态转移链，并利用蒙特卡洛法模拟元件故障事件发生状态转

移，统计各元件及各状态的故障频率、故障发生时间和故障持续时间等参数，最后利用

这些参数计算各负荷点的基本可靠性指标及其概率分布。

近些年来，人们不断尝试，试图在电力系统中能运用人工智能的方法进行可靠性评

估，进而优化出人工神经网络和模糊可靠性的评估方法。

文献[37】提到人工神经网络来进行配电系统可靠性评估，即以负荷历史数据的基本

属性和网络结构为基础，运用规则构建人工神经网络模型，以此来评估计算系统网络的

可靠性。

由此可见，配电网可靠性评估已经得到了学者们的广泛研究【38舶】，上述这些方法既

包含了配电网可靠性分析的解析法和模拟法，也有两者结合起来的混合法，但是这些方

法都存在一定的不足，例如，可靠性评估方法模型一般都比较复杂，难以实现，或没有

通用性，当配电网结构发生变化时，可靠性需要重新计算，计算比较繁琐；蒙特卡洛模

拟法的计算精度比较差等。

1．2．2分布式电源技术研究现状

分布式电源(DG，Dist抽uted Generation)，是指一些接近供电系统用户，容量在50MW

以下【41】的中小型发电装置。它不仅可以独立给就近少量用户供电，将多余的电能输送至

公共电网，还可以直接接入配电网络成为系统电源的一部分，为用户提供电能。由于太

阳能、风能、潮汐能、生物质能等可再生能源极具有地域分散性和季节变化波动性等特

点，分布式电源的存在将极大有助于实现多种地域、能源之间的互补，有利于提高可再

5

太原理工大学工学硕士学位论文

生能源的利用效率。所以，分布式电源集环保、资源环境效益最大化、能源利用效率最

优化等优势于一身的新型能源系统【42】，在绿色能源可持续发展的前景下有很大的发展空

间。

分布式电源接入配电系统运行，对电网也将产生很多的问题【431，研究其接入后的配

电网既是热点也是难点，在国内外广大专家学者共同努力下，针对解决这棘手的问题，

也取得了可观的成果。RwaIlg等在文献【44]中介绍了把风力发电机作为配电网的备用电

源接入系统，利用模拟法来计算配电网负荷和系统的可靠性指标。Waltencir S．Andrade

等在文献【45]着重研究了风力发电这种间歇性电源的可靠性模型，提出了用多状态马尔

科夫模型模拟风力发电的新方法。文献【46】分析了配电系统原始数据的不确定性对可靠

性的影响，提出了区间算法在配电网可靠性计算中的运用，对比分析了分布式电源接入

系统前后的可靠性，并研究了分布式电源接在馈线不同位置对系统可靠性的影响。马立

克、王成山等在文献【47】研究了风能／光能混合发电系统作为电源连接到现有农村配电

网后对配电网可靠性的影响，把研究结果与单纯风力发电系统连接到配电系统的结果相

比较，从而证明了混合发电系统联网的优点。文献[48]中提出一种改进的最小路分析方

法，来分析DG接入配电网后的可靠性指标。文献[49]中提出了一种区域网络模型和蒙

特卡洛模拟算法，这种方法考虑了多种DG模型及不同运行方式。

虽然国内外专家学者在配电网可靠性评估和分布式电源技术方面己取得了大量研

究成果【50-541，并且针对分布式电源的不确定性，考虑了多种DG模型及在多种运行方式

下的情况。在孤岛运行方式下，对含分布式电源的配电系统可靠性进行定量定性的分析，

仍还有更进一步的研究空间15 51。

1．3本文的主要研究内容

1．3．1研究思路和方法

针对当前研究方法的不足，本文将研究重点主要有以下几个方面。

1．配网可靠性评估算法研究。在对常用的一些配电网可靠性评估方法进行总结和

分析的基础上，采用了一种基于成功概率的配电网可靠性评估方法，即成功流法(Goal

Oriented，简称GO)。GO法是一种以成功为导向的配电系统可靠性分析方法，在对系统

网络进行拓扑分析的时不需要重复遍历，既能得到负荷点的故障率也能同时得到成功运

行概率，从而可直接获得负荷点的故障持续时间，减少了计算时间。本文对G0方法进

6

太原理工大学工学硕士学位论文

行了改进，在